Разработка сложных стандартных циклов для станков с ЧПУ

Автор: А.И. Ливерко
Лаборатория систем ЧПУ кафедры КСУ, МГТУ "СТАНКИН"

Опубликовано: 06.09.2003
Версия текста: 1.0

Сокращение сроков разработки управляющих программ неизменно сохраняло свою актуальность ссамого начала использования станков с ЧПУ.Один из вариантов такого сокращения состоит в попытке построить управляющую программу только из стандартных циклов с параметрической их настройкой. При этом не удается обойтись одними лишь традиционными простыми циклами. Далее рассматриваются определенные трудности, возникающие при разработке сложных стандартных циклов, и пути их преодоления.

Введение

Задача автоматизации рутинных операций механической обработки деталей постоянно находится в поле зрения машиностроителей. Решения на базе станков-автоматов не обеспечивают необходимой гибкости; и только применение станков с числовым программным управлением (ЧПУ) позволяет говорить о гибком и быстро перенастраиваемом производстве. Оборотная сторона медали состоит в сложности разработки программного обеспечения, поддерживающего подобную гибкость. Избавившись от рутинных операций на уровне механического управления оборудования, получили не меньший объем рутины на уровне программной автоматизации этого управления.
В зависимости от технологических особенностей применения оборудования с ЧПУ, трудоемкость разработки программного обеспечения проявляется как на уровне подготовки производства, так и на цеховом уровне оперативного управления. На первом уровне проблему решают путем создания (использования) систем автоматизированного программирования ЧПУ и интеграции таких систем с автоматизированными системами проектирования изделий. На втором уровне одним из способов повышения эффективности оперативного управления оборудованием с ЧПУ является широкое использование стандартных циклов. Далее стандартные циклы рассматриваются как элементы встроенного математического обеспечения ЧПУ, непосредственно доступные при оперативном управлении станками.

Сложные стандартные циклы

При оперативном управлении станками с ЧПУ широко применяют встроенные стандартные циклы обработки типовых элементов формы детали. Широко известны стандартные циклы сверления, нарезания резьбы, точения канавок и т. д.Все они достаточно просты в разработке и применении. Несложная геометрия и малое число параметров позволяют проектировать подобные циклы, используя стандартные средства разработки управляющих программ.
Попытки создания более сложных стандартных циклов сталкиваются с рядом серьезных трудностей. Рассмотрим некоторые из них на примере универсального цикла точения канавки произвольной формы (см. рис.1).

Рис.1. Геометрия канавки (слева) и форма резца (справа)

Большое число параметров цикла порождает множество возможных их сочетаний иусложняет процесс разработки и тестирования. Сложная траектория движения инструмента обусловлена тем фактом, что точка резания смещена относительно точки привязки инструмента. Характер и величина этого смещения зависят как от геометрических параметров инструмента и канавки, так и от текущего участка траектории обработки (см. рис.2); т.е. точка резания плавает относительно расчетной точки привязки.

Рис.2. Плавающая точка резания.

По этой причине окончательная траектория инструмента заметно отличается от исходного контура, см. рис.3.

Рис. 3. Траектория инструмента

Как правило, при обработке необходимы черновые и чистовые проходы. Следует иметь в виду, что припуск на чистовую обработку может изменить не только размеры, но и форму канавки; например, фаски и радиусы F2, R4 (см. рис.1) могут быть перекрыты припуском. Необходимость в осциллирующих движениях резца для выборки основной массы металла еще больше усложняет траекторию движения инструмента. На рис.4 представлен один из возможных вариантов окончательной траектории.

Рис.4. Суммарная траектория движения инструмента

Как правило, собственные возможности систем ЧПУ разрабатывать и отлаживать управляющие программы, достаточно ограничены. Традиционные языки управляющих программ ближе к ассемблеру, чем к языкам высокого уровня. Поэтому представляется невозможным реализовывать сложные стандартные циклы, используя лишь средства самой системы ЧПУ.

Реализация сложных циклов

Для преодоления указанных трудностей необходимо использовать какие-то инструментальные средства разработки. Создание таких средств требует больших усилий и затрат; поэтому хотелось бы воспользоваться готовой графической средой, позволяющей: отображать пробные варианты циклов; просматривать циклы в любом масштабе; использовать специальные окна текущих координат, чтобы знать текущие положения точек привязки и точек резания и т.д.
Крайне желательно иметь возможность писать управляющие программы на языке более высокого уровня, в сравнении с традиционными языками управляющих программ. Естественно, что в этом случае понадобится некий постпроцессор для генерации традиционной управляющей программы из программы, написанной на языке высокого уровня.
С целью тестирования такого подхода была предпринята попытка использовать среду визуализации проектных решений . Выбор этой среды объясняется тем, что она широко распространена, имеет встроенный язык Visual Basic, позволяет визуализировать реальные траектории и положения точек привязки в любом масштабе; располагает встроенными средствами измерения координат; обладает удобными средствами отладки программ. Другими словами, может служить практически готовой средой разработки.

Для разработки программ ЧПУ, были добавлены:

• модули визуализации пробных решений, написанные на языке Visual Basic;
• конвертор для преобразования полученных решений в управляющую программу ЧПУ.

Практически процесс создания цикла выглядит следующим образом.

• Разрабатываем управляющую программу на языке Visual Basic.
• Визуализируем полученное решение и проверяем его для разных параметров цикла.
• Конвертируем отработанное решение в традиционную управляющую программу (с комментариями в виде строк на языке Visual Basic для облегчения понимания и дальнейшего сопровождения управляющей программы).

Далее приведены фрагменты исходной программы на языке Visual Basic и управляющей программы ЧПУ.

Фрагмент кода пробного решения

If tmp_flag <> 0 And (flagF3 = 0) Then

             wDD_rsum = wDD_rsum + (wR3F3 + RS) * (1 - Cos(AA))

            tmp_val = 2 * (wR3F3 + RS) - wDD_rsum

            dzr = Sqr(tmp_val * wDD_rsum)

            zr = zK3R - (BS - RS)

            End If

Фрагмент сгенерированной управляющей программы

( If tmp_flag <> 0 And [flagF3 = 0] Then)

            #123:= #130 * [#220 == 0] 

            ( wDD_rsum = wDD_rsum + [wR3F3 + RS] * [1 - Cos[AA]] )

            //#123 #129:=#129 + [#102 + #205] * [1 - COS[#229]]

            ( tmp_val = 2 * [wR3F3 + RS] - wDD_rsum )

            //#123 #77:=2 * [#102 + #205] - #129

            ( dzr = Sqr[tmp_val * wDD_rsum] )

            //#123 #126:=SQRT[#77 * #129]

            ( zr = zK3R - [BS - RS] )

            //#123 #127:=#26 - [#222 - #205]

Это решение использовали для построения стандартного цикла точения канавок со многими параметрами, а также и других подобных стандартных циклов (выемок, проточек и т.д.).

Конечно, как и всякое универсальное средство, не может конкурировать со специализированными средствами.

Основная проблема, которая осталась за кадром, это написание смешанных управляющих программ, т.е. программ, использующихинтерпретатор управляющих программ.
Как известно, устройство ЧПУ заранее формирует в некотором буфере кадры управляющей программы для последующей их интерполяции. К моменту начала движения инструмента, интерпретатор управляющих программ должен выполнить все необходимые вычисления (для сложных стандартных циклов их может потребоваться немало) и синхронизироваться с интерполятором системы ЧПУ. Это значит, что в управляющей программе должны присутствовать точки синхронизации интерпретатора и интерполятора.
Неправильная расстановка точек синхронизации приводит к тому, что интерпретатор пробегает необходимую точку, что приводит к неправильным результатам даже при логически правильном алгоритме перемещения инструмента.

Выводы

В целом, можно отметить, что использованный подход к написанию управляющих программ сложных стандартных циклов полностью оправдал себя как в плане практического использования, так и в плане макетирования специализированной системы, позволяющей отработать методику написания сложных стандартных циклов и определить технические требования для более развитых специализированных систем.

Литература

1. Сосонкин В.Л. Программное управление технологическим оборудованием: Учебник для вузов по специальности <Автоматизация технологических процессов и производств>. - М.: Машиностроение, 1991. - 512 с.: ил.
2. Эндерле Г. и др. Программные средства машинной графики. Международный стандарт GKS: Пер. с анг. / Г. Эндерле, К.Кэнси, Г.Пфафф - М.: Радио и связь, 1988 - 480 с.: ил.
3. Райн Д. Инженерная графика в САПР: Пер. с анг.- М.: Мир, 1989.-391 с., ил.
4. Шпур Г., - Ф. - Краузе. Автоматизированное проектирование в машиностроении /Пер. с нем. Г.Д. Волковой и др.:, Под ред. Ю.М. Соломенцева, В. П. Диденко. - М.: Машиностроение, 1988.-648 с.: ил.